Фамилия Карай — редкий случай в русской ономастике, где тюркское происхождение практически не вызывает споров. В отличие от множества фамилий, где этимологию приходится восстанавливать по косвенным признакам, здесь основа очевидна: тюркское слово «кара» — «чёрный», «тёмный», «сильный», «грозный». Формант «-ай» — типичный для тюркских языков аффикс, образующий прилагательные или прозвища. Таким образом, Карай — это «чернявый», «смуглый» или «суровый», «могучий».

По словообразовательной модели фамилия стоит особняком. Она не получила типичного русского суффикса (-ов, -ин, -ский), а закрепилась в документах в «голом» виде, как прозвище. Это указывает на относительно позднюю фиксацию или на то, что носитель был выходцем из тюркской среды, чьё имя не успели русифицировать. Встречаются и варианты с суффиксом — Караев, Карайкин, — но именно форма Карай сохранила исходное звучание.

География фамилии узкая. Основной ареал — южные регионы России (Кубань, Ставрополье, Ростовская область), а также Поволжье и Приуралье, где исторически сильны тюркские влияния. Встречается и у крымских татар, и у ногайцев. В центральных областях России фамилия редка, что подтверждает её региональный, а не общераспространённый характер.

В некоторых случаях Карай могло быть не прозвищем, а личным именем. У тюркских народов имя Карай (в значении «смотрящий», «взирающий») фиксируется в средневековых источниках, хотя это более редкое значение. Также существует версия, что фамилия восходит к этнониму «караимы» (народ тюркского происхождения), но она менее убедительна: для такого заимствования фамилия должна была бы звучать как Караимов или Караймский.

Сословная принадлежность носителей фамилии Карай в основном крестьянская и казачья. В ревизских сказках XIX века Караи встречаются среди однодворцев и государственных крестьян южных губерний. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это фамилия не аристократическая, а народная, прозвищная, что и делает её ценной для изучения бытовой истории.